(57)【要約】【課題】平板形状の被照射物に対して、従来は、エキシマランプの特性に適合した電源で、同軸二重管形状のランプを全周放電させて照射していたが、光出力対消費電力の発光効率が概略半減していた。又、誘電体バリア放電用電源で、同軸二重管形状のランプを半周放電させて照射していたが、原理的に点滅点灯であることと、高電圧による不要放電や電極端部での放電集中のため、発光効率を改善することが必ずしも十分でなかった。【解決手段】平板形状の被照射物に対して、エキシマランプの特性に適合した電源で、同軸二重管形状のランプを半周放電させても、電極端部での放電集中がないことを発見した。低電圧で点火点灯し、ランプ周辺の雰囲気ガス中での不要放電がなく、空間的な均一性が良好で揺らぎのない安定したグロー状放電により、光出力対消費電力の発光効率を従来の約２〜３倍にし、安全で低価格な省エネルギー型のエキシマランプの点灯装置が提供できる。【選択図】図１
2010108748.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
出力周波数を自動調整でき、出力トランスを最終出力段に装備した電源に、エキシマランプを接続し、出力トランスの出力インダクタンスと、エキシマランプのキャパシタンスとで共振回路を構成し、共振回路の共振作用により点火電圧と連続点灯電圧を得て点灯すると、該キャパシタンスはプラズマの成長と共に増加する特性を持ち、この特性に連動して該共振回路の共振周波数が低下するので、電源の出力周波数を該共振回路の共振周波数に概略一致させるように自動調整し、該出力インダクタンスと該キャパシタンスとの共振周波数が、エキシマランプが持つ特性であるところのイオンプラズマ振動周波数に概略一致するように、該出力インダクタンスを決定し、点火電圧と連続点灯電圧を低下させるエキシマランプの点灯装置において、エキシマランプは、外径が概略円筒状である石英製の外側管と内側管とを概略同軸に配置して、該両管の間に形成した両端が閉じられた放電空間に、無電極電界放電によってエキシマ分子を形成する放電用ガスを充填した同軸二重円筒形状の放電容器と、内側管の内壁の少なくとも一部に設けられた該無電極電界放電用の内側電極と、外側管の外壁の少なくとも一部に設けられた該無電極電界放電用の網状外側電極とからなり、内側電極と網状外側電極は、円筒形状を軸方向に概略半割にした樋状の形状をなし、内側電極の凸面の外周は内側管の管軸方向の概略全長に渡り内周の凹面に接して配置し、網状外側電極の凹面の内周は外側管の管軸方向の概略全長に渡り外周の凸面に接して配置するとき、内側電極の外周の凸面が網状外側電極の内周の凹面に概略対向するように配置し、内側電極と網状外側電極で挟まれた該同軸二重円筒形状の放電容器の放電空間に該無電極電界放電によってエキシマ分子を形成し、網状外側電極側をエキシマ光放射面としたことを特徴とするエキシマランプの点灯装置。
【請求項２】
内側電極の形状が概略円筒形状で内側管の内壁に接して配置されることを特徴とする請求項１に記載のエキシマランプの点灯装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、例えば、光化学反応用の紫外線光源として使用される照射装置の一種で、エキシマランプの特性に適合した電源を用いて、該エキシマランプを低電圧で点灯し、一様で安定したグロー状放電の点灯により、エキシマ分子を形成し、該エキシマ分子から放射される光の利用効率を改善し、安全で低価格な省エネルギー型エキシマランプの点灯装置の改良に関する。
【背景技術】
【０００２】
本発明に関連した技術として、例えば、特許第４０８８２４４号広報（特許文献１）エキシマランプの点灯装置がある。その要約書には、出力周波数を自動調整でき、出力トランス９を最終出力段に装備した電源４に、エキシマランプ７を接続し、出力トランスの出力インダクタンスＬ０とエキシマランプのキャパシタンスＣ０とで共振回路を構成し、共振作用により点火電圧と連続点灯電圧を得て点灯すると、キャパシタンスＣ０はプラズマの成長と共に増加する特性を持つ。この特性に連動して共振周波数が低下するので、電源４の出力周波数を共振周波数に概略一致させるように自動調整し、インダクタンスＬ０とキャパシタンスＣ０との共振周波数が、エキシマランプが持つ特性であるイオンプラズマ振動周波数に概略一致するように、インダクタンスＬ０を決定し、点火電圧と連続点灯電圧を低下させるエキシマランプの点灯装置が記載されているが、光出力対消費電力の発光効率を改善する記載はない。
【０００３】
続いて、特許第４０８８２４４号広報（特許文献１）の（０１１５）において、図１７に大型のエキシマランプの管軸方向の断面図が示されている。その構造と寸法は、石英製で長さが１２５０ｍｍ、外側の直径が約３０ｍｍΦ、肉厚が約１．２ｍｍの外側管アと、その外側管アと同軸に配置した石英製で長さが１２５０ｍｍ、外側の直径が約１８ｍｍΦ、肉厚が約１．２ｍｍの内側管イを、その各々の両端で気密に封じて竹輪形状にした放電容器ウに放電用ガスとしてＸｅガスを約４５０Ｔｏｒｒの圧力で充填し、外側管アの外周に金属製で長さが１２００ｍｍの網電極エを概略密着して巻きつけ一方の放電電極端子オとし、内側管イの内側に概略密着するように金属製で長さが１２００ｍｍの網電極カを挿入し、これを他の一方の放電電極端子キとしたものである。と記載されている。この構造は、竹輪状にした放電容器ウの管軸に直交する断面の放電空間を全周に渡って放電させるものであり、外側管アの外周方向全域に均等に照射する場合や、内側管イの内部方向全域に均等に照射する場合には有効であるが、以下に述べるように、被照射物が平板状の場合には、消費電力の損失が生じる問題がある。
【０００４】
特許第４０８８２４４号広報（特許文献１）の（０１１７）には、図１８と図１９に、図１７に示すような大型のエキシマランプを点灯する場合において、電力増幅器『９』を［Ｎｏ．１］〜［Ｎｏ．１４］の１４ユニットと、出力トランス『１０』の１次コイルをＮｏ．１〜Ｎｏ．１４の１４ユニットにしたものを使用した大電力型点灯装置の回路構成図が記載されている。
【０００５】
そして、特許第４０８８２４４号広報（特許文献１）の図１７に示された大型のエキシマランプを、特許第４０８８２４４号広報（特許文献１）の図１９に示された電力増幅器『９』を約１００Ｗ型にして、［Ｎｏ．１］〜［Ｎｏ．１４］の１４ユニットと、出力トランス『１０』の１次コイルをＮｏ．１〜Ｎｏ．１４の１４ユニットにした図１８、図１９の大電力型点灯装置を用いて点灯したところ、約１４００Ｗの消費電力となり、特許第４０８８２４４号広報（特許文献１）の（０１３０）に記載されているように、周波数が約１．６ＭＨｚのとき、連続点灯電圧が約４ＫＶｐ−ｐで、紫外線の光出力は約１００ｍＷ／ｃｍ２であった。
【０００６】
以上のように、エキシマランプの特性に適合した電源を用いて、竹輪状の同軸二重管形状の放電容器ウの管軸に直交する断面の放電空間を全周に渡って放電させ、約４ＫＶｐ−ｐの低電圧でグロー状に点灯させ、エキシマランプ表面の紫外線の光出力を約１００ｍＷ／ｃｍ２と高出力にしたことは有用であるが、放電容器ウの管軸に直交する断面の放電空間を全周に渡って放電させるためには１４００Ｗの消費電力が必要となった。
【０００７】
このように全周放電させて外側管アの外周方向全域に均等に照射するとき、１４００Ｗの消費電力が必要となったが、例えば、被照射物である洗浄物が液晶用ガラス板や半導体ウェハー等のように平板形状に近い場合、洗浄物の洗浄面は放電容器ウの管軸に平行するように配置される。このとき、洗浄物に直接照射される光は、放電容器ウの管軸に直交する断面でみると洗浄物に対向する側の概略半周分である。洗浄物に対向しない側の概略半周分から照射される光は直接洗浄物に照射されないため、洗浄物に対向しない側の概略半周分を点灯するための消費電力７００Ｗは損失になる。
【０００８】
そこで、洗浄物に対向しない側の概略半周分から照射される光を利用するために、例えば、放電容器ウの管軸に直交する断面の中心点を焦点とする放物線状の反射板等を用いて洗浄物に集光照射する方法があるが、この場合、洗浄物までの光の伝搬距離が長くなる。光の照度は伝搬距離の二乗に反比例して減衰するため、反射光の照度が低下してしまい、光の有効利用が出来ないという問題がある。
【０００９】
又、洗浄物に対向しない側の概略半周分から照射される光の伝搬距離を少なくするため、放電容器ウと放物線状の反射板の距離を短くすると、放電容器ウの管軸に直交する断面が反射光の進路を大きく妨げて影になり、反射光を十分に利用できなくなってしまうという問題がある。
【００１０】
反射板を工夫し、光を何度か反射させて洗浄物側へと導くことも考えられるが、光の波長が真空紫外線領域の０．２μｍに近づくほど、一般的な反射板では反射率が大きく低下してしまうので、反射板には特別なものが使用される。この特別な反射板は高価であり、取扱が困難で長期的な維持管理に経費が費やされるため、ランニングコストを悪化させる要因の一つになってしまうという問題がある。
【００１１】
例えば、紫外線領域の反射板に関係する資料としては、理科年表平成７年（机上版）国立天文台編  Ｐ．５１９（非特許文献１）において、金属面の分光反射率が記載されている。該記事の説明では、金属を真空蒸着して作った新鮮な表面に、種々の波長（μｍ）の光が垂直に投射された場合の反射率を％で示したものである。良好な蒸着面は高真空中で急速に蒸着を行うことによって得られ、その反射率は通常同じ金属の研磨面やスパッタリングで作った面の反射率よりも高い。と記載されており、記載データは、波長が０．２２μｍに於ける各材料の反射率は、アルミニウムで９１．５％、銀で２８．０％、金で２７．５％、銅で４０．４％、ロジウムで５８．５％とあり、波長が０．２４μｍに於ける各材料の反射率は、アルミニウムで９１．９％、銀で２９．５％、金で３１．６％、銅で３９．０％、ロジウムで６１．３％とある。該データより反射板の材料候補としては、アルミニウムを高真空中で急速に蒸着して作った新鮮な表面に限定されるが、アルミニウムの新鮮な表面は空気中の酸素により、直ちに酸化され新鮮さを維持することは困難である。
【００１２】
アルミニウムを高真空中で急速に蒸着して作った新鮮な表面を維持するために、アルミニウムの新鮮な真空蒸着面が酸化される以前にＭｇＦ２等のフッ化物ガラス等をコーティングすることもできるが、非常に高価なものとなってしまう問題がある。
【００１３】
例えば、分光測定で用いられるアルミニウムの真空蒸着面にＭｇＦ２をコーティングした標準反射板の場合の分光反射率は、光の波長が０．１７μｍで約５３％、０．１８μｍで約６２％、０．１９μｍで約６８％、０．２μｍで約７５％、０．２２μｍで約８３％、０．２５μｍで約８７％程度であり、光の波長が短いほど反射率は低下する。
【００１４】
エキシマランプの放電用ガスがキセノンの場合、光の波長は０．１７２μｍであり、このときの反射率は約５３％となるが、ＭｇＦ２等のフッ化物ガラスでさえも０．１７２μｍの光では劣化するので定期的な保守と交換は欠かせないという問題がある。
【００１５】
今日、キセノン・エキシマランプは液晶パネル工場で光洗浄や改質工程において多用されており、第１０世代の液晶用マザーガラスを光洗浄する場合のランプ寸法は約３ｍにもなる。このような大型ランプ用の反射板に、アルミニウムの真空蒸着面にＭｇＦ２をコーティングした標準反射板に近い物を用いることは、費用対効果を考慮すると実用的でない。
【００１６】
経済的な反射板としては、アルミニウムを電解研磨した反射板であるが、この分光反射率は、光の波長が０．１７μｍで約７％、０．１８μｍで約９％、０．１９μｍで約１３％、０．２μｍで約１７％、０．２２μｍで約２３％、０．２５μｍで約２８％であった。この反射板は製作されてからの経過時間が少ない比較的に新しいものであり、酸化膜層の厚みは少ないものと判断していたが、反射率はかなり悪いものであった。
【００１７】
エキシマランプの放電用ガスがキセノンの場合、光の波長は０．１７２μｍであり、このときの反射率は約７％と非常悪い。更に、０．１７２μｍの光は空気中の酸素分子を酸素原子に解離し、直ちにオゾンを生成する効果が強い。寿命の長いオゾンから解離する酸素原子は強い酸化力を有しており、アルミニウムは良く酸化されるため、反射板としての効果は更に悪化する。
【００１８】
第一に、以上のような理由により、洗浄物からの距離が離れた位置にある反射板の効果は、距離による照度の減衰と低反射率により、ほとんどその効果を期待できない。そして、平板状の洗浄物の場合、放電容器ウの管軸に直交する断面の全周に渡って放電すると、洗浄物に対向しない側の概略半周分から照射される光が利用できないので、利用できる光量は概略半減するので、光出力対消費電力の発光効率は半減し、昨今の省エネルギー時代に適合しないものとなる。
【００１９】
第二に、本発明に関連した技術として、例えば、特開２００１−１５５６８４号広報（特許文献２）誘電体バリアエキシマランプがあり、発明の効果において、被加工物の設置側にのみ電極が設けられているので、エキシマランプに投入する電力を小さくしても、被加工物への紫外線の放射光量は殆ど低下せず、従って、その照射効率を改善することができる。と記載されている。しかし、誘電体バリア放電でエキシマランプを点灯する場合、以下のような問題があり、照射効率（発光効率）を改善することは必ずしも十分でないという問題がある。
【００２０】
誘電体バリア放電の場合、印加電圧の周波数が約１０ＫＨｚから約２００ＫＨｚの範囲内の任意の固定周波数を用いている場合が多い。周波数が低いので、ランプの点灯状況は、印加電圧の周波数の半サイクル毎に一瞬点灯しては直ちに消灯している。周波数が低い程、消灯時間が長くなるので、原理的に光出力の時間軸に対する平均値は低くなる。又、半サイクル毎に消灯しているので、常時点火電圧を印加しなければ点灯を維持できないため、点灯時は常時高電圧の点火電圧が印加されることになる。そして、最近ではエキシマランプの光出力を増大するためには、ランプに封入するガス圧はより高いほうがよいので、６００Ｔｏｒｒ等と大気圧に近い状態で封入されることが多く、点火電圧も自ずと高くなっている。そのためランプ周辺の雰囲気中で余分な不要放電が生じる機会が増えており、その不要放電による電力損失が発光効率を低下させることになる。
【００２１】
第三に、本発明に関連した技術として、例えば、特開２００１−１５５６８４号広報（特許文献２）誘電体バリアエキシマランプがあり、請求項１には、内筒管と透過性のある外筒管の間の空間に放電用ガスを封入してなる誘電体の二重管と、上記二重管を収容し、少なくとも該二重管の径方向における一方側を開放したケース体と、上記ケース体の開放された領域に固定された外部電極であって、上記二重管の一方側における上記外筒管の外面側に近接配置される網目状の領域を含むものと、少なくとも上記外部電極が近接配置された上記外筒管の面の領域に対応する上記内筒管の内面側に配置される内部電極と、を備え、上記外部電極と内部電極間に電圧を印加することにより、上記網目状の外部電極の間から紫外線を放射する誘電体バリアエキシマランプがあり、発明の効果において、被加工物の設置側にのみ電極が設けられているので、エキシマランプに投入する電力を小さくしても、被加工物への紫外線の放射光量は殆ど低下せず、従って、その照射効率を改善することができる。と記載されている。しかし、誘電体バリア放電でエキシマランプを点灯する場合、近接配置（接触していない）される外部電極には以下のような問題があり、照射効率（発光効率）を改善することは必ずしも十分でないという問題がある。
【００２２】
特許第３１７０９６３号広報（特許文献３）誘電体バリヤ放電ランプがあり、（０００５）に、光透過性誘電体と導電性網状電極の一部分の間に空隙が生じることがある。そうすると、この微小な空隙において、余分な放電が発生する。その結果、この余分な放電によって、ランプの周辺における有害な化合物が発生し、例えば雰囲気が空気の場合には窒素酸化物やオゾン等が発生し、かつ、放電が不安定になって光出力が不安定になり、さらに、発光効率が低下するなどの問題が生じることを発見したと記載されている。
【００２３】
第四に、本発明に関連した技術として、特開２００１−１５５６８４号広報（特許文献２）誘電体バリアエキシマランプがあり、請求項３には、上記外部電極の網目状の領域が、上記外筒管の外面に接触されている請求項１又は２に記載の誘電体バリアエキシマランプとあり、又、請求項４には、上記二重管の周方向における上記外部電極の上記外筒管に対する接触角が、１８０度以下のものである請求項３に記載の誘電体バリアエキシマランプとあり、続いて、請求項５には、上記外部電極を、その網目状の領域が上記外筒管の外面に押圧されるように上記ケース体に対し固定した請求項３又は４に記載の誘電体バリアエキシマランプ。と記載されている。そして、発明の効果において、被加工物の設置側にのみ電極が設けられているので、エキシマランプに投入する電力を小さくしても、被加工物への紫外線の放射光量は殆ど低下せず、従って、その照射効率を改善することができる。と記載されているが、以下に記載するように、誘電体バリア放電には特有の問題があり、照射効率（発光効率）を改善することは必ずしも十分でないという問題がある。
【００２４】
特開２００１−１５５６８４号広報（特許文献２）の誘電体バリアエキシマランプに関連した技術として、例えば、特許第２８３６０５６号広報（特許文献４）誘電体バリヤ放電ランプがあり、（０００７）に、導電性薄膜電極あるいは導電性網状電極は、そもそも薄く、かつ、その終端部はナイフ刃状あるいは針状になりやすいので、その端部においては電界強度が不均一、かつ大きくなりやすい。従って、導電性薄膜電極あるいは導電性網状電極の終端部において、放電用ガスではなく、空気などの雰囲気ガス中で沿面放電状の放電が発生したり、さらには、電極端部にマイクロプラズマが集中的に、多数発生する。その結果、放電が不安定になり、さらには電極端部の部分における光出力が大きくなり、即ち、光出力の時間的なゆらぎが大きくなり、光出力の空間的な均一性が悪くなる。また、空気などの雰囲気ガス中で沿面放電状の放電が発生したり、マイクロプラズマが集中し過ぎると、発光効率も低下すると記載されている。
【００２５】
そして、特開２００１−１５５６８４号広報（特許文献２）の誘電体バリアエキシマランプの請求項１においては、少なくとも上記外部電極が近接配置された上記外筒管の面の領域に対応する上記内筒管の内面側に配置される内部電極と、記載されており、図３の１３の内部電極の構造は円筒管を管軸方向に平行して縦割にした樋形状のものとなり、縦割にした部分の切口が長くなることで、電極端部の領域が非常に多くなる。よって、電極端部の電界強度が不均一、かつ大きくなるという悪影響は電極端部の長さに比例して強くなり、ランプの管軸方向全般に渡って光出力の時間的なゆらぎが大きくなり、光出力の空間的な均一性が悪くなる。また、空気などの雰囲気ガス中で沿面放電状の不要放電が生じたり、マイクロプラズマが集中し過ぎ、発光効率が低下するという問題がある。
【００２６】
第五に、特開２００１−１５５６８４号広報（特許文献２）の誘電体バリアエキシマランプの請求項１において、少なくとも該二重管の径方向における一方側を開放したケース体と、上記ケース体の開放された領域に固定された外部電極であって、上記二重管の一方側における上記外筒管の外面側に近接配置される網目状の領域を含むものと、記載されている。外部電極の網目を通過する光を利用するので、網目の開口率は通常９０パーセント以上のものを使用して光の利用効率を良くしなければならない。又、外部電極材の厚みは極力薄いほうが光の進路を妨害しないため、光の利用効率が良くなるので、網目の大きさにもよるが、通常０．１ｍｍ厚程度の金属製網材料等が使用される。このような薄い金属製網材料等をランプに接することなく、ランプとの距離を均一にして近接配置することは困難であり、ランプ表面と外部電極との距離は不均一となり、内部電極との放電距離も不均一となる。その結果、マイクロプラズマの密度分布が不均一となり、光出力の空間的な均一性が悪くなる。そして、マイクロプラズマが集中しすぎると発光効率が低下するという問題もある。
【００２７】
誘電体バリア放電の放電形態は、多数の非常に細い糸状の放電柱（微小放電、マイクロプラズマ、マイクロディスチャージ、ストリーマ等と呼ばれている。）が、放電電極対間の放電空間を最短距離で短絡するように生じ、その放電柱の持続時間は非常に短い。放電柱は、放電電極間に印加される交流電圧が放電用ガスの絶縁破壊電圧を越える瞬間に生じ、越えた後、放電柱は直ちに消滅する。電離した放電用ガスのイオンと電子は各々陰極と陽極側の放電容器壁に壁電荷として張り付くことになる。この壁電荷は、放電電極間に印加される交流電圧の次の半サイクル時には放電開始の種となる。印加電圧の極性が反転した次の半サイクル時には、壁電荷が作る電界と印加電圧による電界が加算されるので、若干低下した印加電圧で放電が生じる。これをメモリー効果と呼ぶ。放電開始の種となる壁電荷は、放電容器壁に付着しており、印加電圧の極性が変わった次の半サイクル時には、放電容器壁から離脱するが、離脱する際、放電容器壁の表面の面抵抗が小さい場合には、より広範囲の壁電荷が、放電距離の近い方向へと一点に移動集中しながら放電空間に離脱してゆくので、一本の放電柱は太くなり、放電空間全体で発生する放電柱の数は少なくなり、光出力の空間的な均一性が悪くなる。この現象は、放電容器壁の一方が面抵抗約０Ωの金属の場合、顕著に現れ、放電空間には１〜２条の太い放電柱が金属表面を蛇行するようにして、時々刻々姿を変えながら稲妻状放電の終端部が対向電極部位に到達短絡するように生じるのみである。このような放電になると、エキシマ光量は約１／１０程度に減衰する。このときの放電路の色は輝く白色に近くなり、電子温度が非常に高くなっていることが想像できる。励起原子より電離原子が多く発生しており、エキシマ光の源となるダイマーの量が少なくなっていることが窺える。
【００２８】
一方、壁電荷が離脱する際、放電容器壁の表面の面抵抗が大きく、放電距離が均一の場合、狭い範囲の壁電荷が一点に集中しながら放電空間に離脱してゆくので、一本の放電柱は細くなり、放電空間全体で発生する放電柱の数が多くなり、光出力の空間的な均一性が良くなる。又、このときの放電柱の電子温度は比較的に低いようなので、ダイマーは比較的に多いことが想像できる。光出力の空間的な均一性や効率を良くするためには、放電容器壁の面抵抗が大きくなるよう、ランプ製作の際、精密な洗浄が必要となる。場合によってはゲッターで放電空間内の不純物を吸着しなければならない場合もある。又、放電距離のわずかなバラツキで、放電距離が近い部位に放電柱が集中することを防止するため、放電領域全般に渡って放電距離を均一に保たなければならない。そのためには、ランプを構成する管材の寸法精度を高くし、内側管と外側管を同軸に配置する精度も高くしなければならないので、ランプ価格が高くなる問題がある。
【００２９】
ちなみに、放電容器の石英管材は寸法精度が悪く、外側管と内側管の両端で正確に同軸に配置しても、石英管材の管径、断面の真円度、管の肉厚、管軸の曲がり等の寸法精度の悪さで、放電距離を精度良く一定に保つことは困難であり、電界集中に起因する放電集中は避けられず、発光効率を十分に上げることは難しい。特に、１ｍ以上の長さのランプにおいては精度良い石英管を選別しなければならず、ランプ価格の上昇は避けられない。
【００３０】
誘電体バリア放電の場合、細い放電柱を、放電領域全体で均一かつ高密度で発生することが単位面積当たりの発光量の増大につながるが、各々の放電柱は同方向に流れる電流であるため、隣接する放電柱間には、フレミングの左手の法則に基づいて、隣接する放電柱間に吸引力が生じるようになる。この吸引力は２本の放電柱を１本に絞込み、その放電柱は２本分の太さに成長する。電流値としては２倍になり、アンペアの右ネジの法則に従って生じる磁束も２倍に増える。そして、この太い放電柱は更に隣接する細い放電柱を取込み、太さを増すようになる。この成長の程度で決まる単位面積当たりの放電柱の密度は、放電容器壁の面抵抗や放電距離、封入ガス種やその封入圧、点灯電源の出力インピーダンスや印加電圧の周波数、波形等の諸条件で変化する。特に、放電電極の端部では、エッジ効果による電界集中のため電界強度が強まっており、放電柱は電界強度が強い方へ導かれ、放電柱は放電電極の端部に集中し、光出力の空間的な均一性が悪くなる。更には発光効率の低下につながる問題を抱えている。
【００３１】
以上述べた様に、第一に、特許第４０８８２４４号広報（特許文献１）のエキシマランプの特性に適合した電源を用いて、同軸二重管型放電容器の管軸に直交する断面の放電空間を全周に渡って放電させるには、放電の量に比例した消費電力が必要になる。被照射物が平板状の場合には、同軸二重管型放電容器の管軸に直交する断面の放電空間の被照射物とは反対側の概略半周分の放電電力は損失となる。第二に、特開２００１−１５５６８４号広報（特許文献２）の誘電体バリア放電によるエキシマランプの場合、原理的に点灯と消灯を繰り返しているので、光出力の時間軸平均値が少ない。第三に、放電用電極は放電容器に密着していないと、その間隙において余分な不要放電に伴う電力損失が生じ、発光効率が低下する。第四に、放電電極にエッジ部分が多いと、空気などの雰囲気ガス中における沿面放電等による不要放電や、電極端部での電界集中により放電柱の集中が生じ易く、発光効率が低下する。第五に、放電電極間距離のバラツキが大きいと、電界集中による放電集中が生じ易く、発光効率が低下する等の多くの問題を抱えており、光出力対消費電力の発光効率を改善することは必ずしも十分でない。
【特許文献１】特許第４０８８２４４号広報
【特許文献２】特開２００１−１５５６８４号広報
【特許文献３】特許第３１７０９６３号広報
【特許文献４】特許第２８３６０５６号広報
【非特許文献１】理科年表平成７年（机上版）国立天文台編  Ｐ．５１９
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００３２】
本発明の課題は、平板形状に近い被照射物の場合、光出力対消費電力の発光効率を、従来のエキシマランプに適合した電源で、エキシマランプの全周をグロー状放電させた場合と比較して約２倍にし、更に、従来の原理的に点滅を繰り返している誘電体バリア放電により、エキシマランプの全周を細い放電柱で放電させる方式に対しては、発光効率を約３倍にし、そして、放電集中が無く、光出力の時間的なゆらぎや空間的な均一性が良好で、沿面放電等の不要放電が無く、安全で低価格の省エネルギー型エキシマランプの点灯装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００３３】
本発明の請求項１の発明は、出力周波数を自動調整でき、出力トランスを最終出力段に装備した電源に、エキシマランプを接続し、出力トランスの出力インダクタンスと、エキシマランプのキャパシタンスとで共振回路を構成し、該共振回路の共振作用により点火電圧と連続点灯電圧を得て点灯すると、該キャパシタンスはプラズマの成長と共に増加する特性を持つ。この特性に連動して該共振回路の共振周波数が低下するので、電源の出力周波数を該共振回路の共振周波数に概略一致させるように自動調整し、該出力インダクタンスと該キャパシタンスとの共振周波数が、エキシマランプが持つ特性であるところのイオンプラズマ振動周波数に概略一致するように、該出力インダクタンスを決定し、点火電圧と連続点灯電圧を低下させるエキシマランプの点灯装置において、エキシマランプは、外径が概略円筒状である石英製の外側管と内側管とを概略同軸に配置して、該両管の間に形成した両端が閉じられた放電空間に、無電極電界放電によってエキシマ分子を形成する放電用ガスを充填した同軸二重円筒形状の放電容器と、内側管の内壁の少なくとも一部に設けられた該無電極電界放電用の内側電極と、外側管の外壁の少なくとも一部に設けられた該無電極電界放電用の網状外側電極とからなり、内側電極と網状外側電極は、円筒形状を軸方向に概略半割にした樋状の形状をなし、内側電極の凸面の外周は内側管の管軸方向の概略全長に渡り内周の凹面に接して配置し、網状外側電極の凹面の内周は外側管の管軸方向の概略全長に渡り外周の凸面に接して配置するとき、内側電極の外周の凸面が網状外側電極の内周の凹面に概略対向するように配置し、内側電極と網状外側電極で挟まれた該同軸二重円筒形状の放電容器の放電空間に該無電極電界放電によってエキシマ分子を形成し、網状外側電極側をエキシマ光放射面としたことを特徴とするエキシマランプの点灯装置である。
【００３４】
本発明の請求項２の発明は、内側電極の形状が概略円筒形状で内側管の内壁に接して配置されることを特徴とする請求項１に記載のエキシマランプの点灯装置である。
【発明の効果】
【００３５】
本発明では、被照射物が平板形状に近い場合、エキシマランプの特性に合った電源を用いて、エキシマランプの管軸に直交する断面において、照射面側の概略半周を均一で安定したグロー状放電で点灯できることを発見した。消費電力は従来の全周放電の場合の約１／２になり、照射面側の光量は従来の全周放電の場合と概略同等なので、発光効率は従来の全周放電の場合に比べて約２倍になる。更に、誘電体バリア放電のような点滅がないので、誘電体バリア放電の全周放電に比較して約１．５倍の光量が得られ、発光効率は誘電体バリア放電の全周放電に比較して約３倍になる。そして、光透過性誘電体と導電性網状電極の一部分の間に若干の空隙が生じても、その部位に於いてグロー状放電が維持され、光量が減ずることはない。放電容器の石英管材の寸法精度が悪いことによる放電距離の若干のバラツキや、電極のエッジ部が多くなっても、放電集中は発生せず、光出力の時間的なゆらぎや空間的な均一性は良好である。点火点灯電圧の低下により、沿面放電等の不要放電が起こらないので安全であり、低価格の省エネルギー型エキシマランプの点灯装置が提供できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３６】
本発明で使用した電源は図1に示すように、出力周波数を自動調整できる電源２であり、特許第４０８８２４４号広報の図４に示された高周波電源４と同様の電源である。その内容は、図６に示すように、特許第４０８８２４４号広報の図１３に示された高周波電源と同様の電源であり、例えば、電力増幅部は約１００Ｗ／ユニットの電力増幅器［１］〜［Ｎ］のユニット数［Ｎ］を７ユニット並列運転した合計７００Ｗの電源である。
【００３７】
図２と図３にエキシマランプの構造を示す。石英製であり、外径が概略円筒状で、長さが約１２５０ｍｍ、外側の直径が約３０ｍｍΦ、肉厚が約１．２ｍｍである外側管４と、長さが約１３００ｍｍ、外側の直径が約１８ｍｍΦ、肉厚が約１．２ｍｍである内側管５と、を概略同軸に配置して、該両管の間に形成した両端が閉じられた放電空間６に、無電極電界放電によってエキシマ分子を形成する放電用キセノン・ガスを約４５０Ｔｏｒｒで充填した二重円筒型放電容器と、該内側管５の内壁の少なくとも一部に設けられた長さ約１２００ｍｍの該無電極電界放電用の、例えば、板厚が約０．２ｍｍのステンレス製板の内側電極７と、該外側管４の外壁の少なくとも一部に設けられた長さ約１２００ｍｍの該無電極電界放電用の、例えば線径０．０５ｍｍのステンレス製極細線で縦横間隔２ｍｍとした網目の開口率約９５％の格子状網を構成し、厚さ０．２ｍｍ、幅５ｍｍのステンレス製薄板を、該格子状網の周辺に幅５ｍｍの額縁状に接合したステンレス製額縁付の網状外側電極８とからなり、該内側電極７と該網状外側電極８は、円筒形状を軸方向に概略半割にした樋状の形状をなし、該内側電極７の外周の凸面は該内側管５の管軸方向の概略１２００ｍｍに渡り内周の凹面に接して配置し、該網状外側電極８の内周の凹面は該外側管４の管軸方向の概略１２００ｍｍに渡り外周の凸面に接して配置するとき、該内側電極７の外周の凸面が該網状外側電極８の内周の凹面に概略対向するように配置し、該網状外側電極８はランプを支持固定する構造材に取付ける。該内側電極７と該網状外側電極８で挟まれた該二重円筒型放電容器の放電空間６にキセノン・エキシマ分子を形成し、該網状外側電極８側をキセノン・エキシマ光放射面としたことを特徴とするエキシマランプ３の点灯装置である。
【００３８】
本発明の請求項２の発明は、図４に示すように、内側電極９の形状が、例えば、長さ１２００ｍｍ、外径１５ｍｍΦ、板厚０．２ｍｍのステンレス製薄板を円筒状に曲げ、内側管５の内壁に接して配置されることを特徴とする請求項１に記載のエキシマランプ３の点灯装置である。
【００３９】
本発明のエキシマランプのガラス管寸法は、特許第４０８８２４４号広報の図１７に示されたエキシマランプのガラス管寸法とほぼ同一であるが、本発明の、対向する放電電極の面積は特許第４０８８２４４号広報の図１７に示された対向する放電電極の面積の約１／２になっている。本発明の電源の消費電力は７００Ｗであり、特許第４０８８２４４号広報の電源の消費電力は１４００Ｗであるから、本発明の消費電力は１／２に減じている。本発明の点火電圧と周波数は約１０ＫＶｐ−ｐ、約２．５ＭＨｚ、点灯電圧と周波数は約４ＫＶｐ−ｐ、約２．３ＭＨｚであった。特許第４０８８２４４号広報の点火電圧と周波数は約１０ＫＶｐ−ｐ、約１．８ＭＨｚ、点灯電圧と周波数は約４ＫＶｐ−ｐ、約１．６ＭＨｚであり、点火と点灯周波数は異なるが、点火と点灯電圧はほぼ同一となった。本発明の電極端部は特許第４０８８２４４号広報の電極端部に比べて非常に増えているが、電極端部でのランプ周辺雰囲気への不要放電や放電空間内での放電集中は無かった。ランプの点灯形態は濃霧が渦巻くようなグロー状放電が維持され、光出力は約１００ｍＷ／ｃｍ２であり、特許第４０８８２４４号広報の約１００ｍＷ／ｃｍ２とほぼ同一となり、光出力の時間的なゆらぎが無く、空間的な均一性も良好であった。被照射物が平板形状の場合、光出力を減ずることなく消費電力を１／２にできることを発見し、光出力対消費電力の発光効率を２倍にすることができた。
【００４０】
又、本発明の点火電圧と周波数は約１０ＫＶｐ−ｐ、約２．５ＭＨｚであり、点灯電圧と周波数は約４ＫＶｐ−ｐ、約２．３ＭＨｚであったが、誘電体バリア放電の点火電圧と周波数は約２０ＫＶｐ−ｐと１０ＫＨｚから２００ＫＨｚの範囲内の任意の固定周波数であり、点灯電圧と周波数は約２０ＫＶｐ−ｐ弱と点火周波数であり、本発明と誘電体バリア放電の印加電圧を比較すると、本発明では点火時で約１／２、点灯時で約１／５の印加電圧である。そして、本発明では印加電圧の周波数が比較的に高いため、半サイクル毎の時間内では消灯すること無く点灯が継続され、濃霧が渦巻くようなグロー状放電が継続維持される。誘電体バリア放電のように半サイクル毎に消灯することはないので、誘電体バリア放電の全周放電に比較して約１．５倍の光量が得られ、発光効率は誘電体バリア放電の全周放電に比較して約３倍になった。例えば、特許第３１７０９６３号広報（特許文献３）の発光効率の改善はわずか１０パーセントと記載されている。そして、本発明によると、光透過性誘電体と導電性網状電極の一部分の間に若干の空隙が生じても、その部位に於けるグロー状放電が維持され、光量が減ずることはない。放電容器の石英管材の寸法精度が悪いことによる放電距離の若干のバラツキや、電極のエッジ部が多くなっても、放電集中は発生せず、光出力の時間的なゆらぎや空間的な均一性は良好である。点火点灯電圧の低下により、ランプ周辺の雰囲気中で余分な放電が無く、絶縁対策が容易であり経済的である。沿面放電等の不要放電も起こらないので安全であり、低価格の省エネルギー型エキシマランプの点灯装置が実現できた。
【００４１】
本発明のランプは図５（Ａ）に示すように、光取り出し窓１０を有し、窒素ガスを充填したランプハウス１１に収納し、放電電極等の微量な錆等の塵が被照射物に落下させないようにして使用することが好ましい。エキシマランプ３の放電空間にはエキシマ分子を大量に含むプラズマ１４が生成する。このプラズマ１４の発光は、誘電体バリア放電の放電柱のように発生部位が離散的で、瞬時に同時多発しては消滅し、明滅が継続するようなプラズマでなく、グロー放電のように一様で継続した発光を伴うものである。その密度は一般的なグロー放電より高密度であり、一見して濃霧が渦巻くようなプラズマ１４である。放電電極対で挟まれた放電空間全域に渡って、電離したイオン、電子、エキシマ分子それに基底状態の原子（又は分子）が一様の濃度で分布している様子がうかがえる。放電電極対で挟まれた放電空間の領域にグロー状放電のプラズマ１４が生成し、放電電極対のない放電空間の領域にはグロー状放電のプラズマ１４は生成しない。放電電極の端部において、プラズマ１４は放電電極対のない放電空間の領域に若干漏洩するが、漏洩の態様は単調にプラズマ濃度が減衰するのみで、誘電体バリア放電のように太い放電柱が集中することはなく、安定した点灯である。
【００４２】
図５（Ｂ）の照度分布特性曲線図は、図５（Ａ）の光取り出し窓１０の洗浄物１３側の窓表面上の照度分布特性を示したものである。エキシマランプ３の内側管の内側は窒素ガスを流して適度に冷却することが好ましく、ランプハウス１１の内部にも窒素ガスを流してエキシマランプ３の外側管の外側を適度に冷却することが好ましい。光取り出し窓１０を用いることで、窓材を透過するとき照度が約１０％程度減衰するが、エキシマランプ３の両側面の至近距離に装備した反射板１２による反射光がその減衰を補う。
【００４３】
光取り出し窓１０の利点は、洗浄物の表面から蒸発する残渣や、クリーンルーム中に浮遊する薬品類の蒸発物による分子レベルの汚れ等が光取り出し窓１０等に付着しても、ランプハウス１１の洗浄物面側の構造が平坦になるので、短時間で確実な清掃が行える。クリーン度を常に維持し、安定した照度の運用が可能となるので、製品の歩留まりが安定する。短い清掃時間は稼働率の向上になりランニングコスト面においても得策となる。光取り出し窓１０を用いることで、部材費のイニシャルコストが若干上昇するが、製品の歩留まり安定と、稼働率の向上で取戻すことができる。
【００４４】
図５（Ａ）に示すように、エキシマランプ３の放電電極対で挟まれた放電空間に生じるプラズマ１４と、光取り出し窓１０の洗浄物１３側の窓表面上までの最短距離１５は５ｍｍ程度であり、洗浄物１３の表面と、光取り出し窓１０の洗浄物１３側の窓表面上までの距離１６は３ｍｍ程度である。よって、プラズマ１４と、洗浄物１３の表面までの最短距離１７は８ｍｍ程度となる。エキシマランプ３直下の光取り出し窓１０の洗浄物１３側の窓表面上での最大照度は約６０ｍＷ／ｃｍ２であり、高出力である。
【図面の簡単な説明】
【００４５】
【図１】本発明の請求項１に記載したエキシマランプの点灯装置の概略構成図である。
【図２】本発明の請求項１に記載したエキシマランプの概略側面図である。
【図３】本発明の請求項１に記載したエキシマランプの概略端面図である。
【図４】本発明の請求項２に記載したエキシマランプの概略端面図である。
【図５】（Ａ）図は本発明の請求項１に記載したエキシマランプをハウジングに実装して運用する概念図であり、（Ｂ）図は（Ａ）の照度分布特性曲線図である。
【図６】特許第４０８８２４４号広報（特許文献１）の図１３である。
【符号の説明】
【００４６】
１・・・・電源の最終出力段に装備した出力トランス
２・・・・出力周波数を自動調整できる電源
３・・・・エキシマランプ
４・・・・エキシマランプの外側管
５・・・・エキシマランプの内側管
６・・・・エキシマランプの放電空間
７・・・・エキシマランプの内側電極
８・・・・エキシマランプの外側電極
９・・・・エキシマランプの内側電極
１０・・・光取り出し窓
１１・・・ランプハウス
１２・・・反射板
１３・・・被照射物
１４・・・プラズマ
１５・・・プラズマと光取り出し窓の洗浄物側の窓表面上までの最短距離
１６・・・被照射物の表面と光取り出し窓の洗浄物側の窓表面上までの距離
１７・・・プラズマと被照射物の表面までの最短距離
【図１】
2010108748.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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